методы температурных измерений

Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более четкое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны, температуру можно определить как степень нагре-тости тела. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства. Так возникла область измерений температуры, которую впоследствии назвали термометрией.

Термометрия - раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температуры, теоретические основы способов построения термодинамической и практических температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерений температуры.

Значения термодинамической температуры находятся в пределах от О К до таких высоких значений, которые получаются в реальных системах элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии. При этом абсолютный нуль температуры недостижим, так как любая частица в соответствии с квантовой теорией будет иметь одно низшее квантовое состояние и поэтому отсутствует возможность перехода в другое более низкое состояние, т. е. невозможна и передача энергии другой частице или системе частиц. Однако система частиц не может иметь и бесконечное значение термодинамической температуры, так как в соответствии с теорией относительности скорость частиц не может превышать скорости распространения электромагнитного излучения. Таким образом, исходя из конечного значения скорости света, верхний предел температуры может быть оценен значением порядка 10* К.

Температура - один из параметров состояния вещества: газа, жидкости или твердого тела. Температура определяет тепловое состояние тела и направление теплопередачи. Если привести в контакт два тела при различных температурах, то более нагретое тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее

imrpcToe-imrpoiuiTi.cH. Процесс теплопередачи и изменения темпера! ур тол будог продолжаться до тех пор, пока их температу-).....о станут раппымп, т. е. наступит тепловое или термодинамическое pamioBCciie. Подобпый процесс наблюдается в том случае, еслп оба юла в тепловом отношении изолированы от окружающем среды и не наблюдается приток извне тепла или же потери тепла п среду.

Температура определяет внутреннюю энергию тела: потенциальная п кинетическая энергии молекул газа, жидкости или твердого тола занисят от температуры. Энергия отдельно взятой молоку./! ы не совпадает со средней энергией тела, поэтому понятие TOMiiopa-iу)ы к молекуле неприменимо. Следовательно, понятие томморатуры чв.лясгся статистическим и применимо к телам, со-сюящнм ii.i очень большого числа молекул.

(л)гласн(> кткмнческой теории средняя энергия Е поступательного дмижспия молекул газа связана с его температурой Т соот-iioH.ieinicM- /;Va fe/, где k - иосюянная Больцмана, равная 1,38-10-з Дж/К.

Распределение энергии поступательного движения между молекулами газа зависит от их скорости.

Для жидкостей и твердых тел функциональная связь температуры с внутренней энергией выражается сложными аналитическими зависимостями. Температура определяет не только характеристики тепловых процессов, от нее зависят многие физические свойства: теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, кристаллические структуры веществ, электрические, магнитные, оптические и атомные свойства.

Температурные зависимости физических свойств веществ можно положить в основу методов измерения температуры и построения температурной шкалы.

Температурная шкала -зто ряд последовательных значений температуры, образуемый в соответствии с выбранным законом, определяющим взаимосвязь термометрического параметра (свойства) и температуры.

Для построения температурной шкалы выбирают две основные точки i"! и ti, которым присваивают произвольные значения температуры. Интервал между этими точками -t) называют основным интервалом температурной шкалы. Разделив основной интервал на N равных частей устанавливают цену деления шкалы, другими словами размер единицы температуры

М- (1.1)

Принимая линейную зависимость между температурой t и физическим (термометрическим) свойством Е, можно найти уравнение шкалы в следующем виде:

t = t + (t,~t,ff-t,-[-MNl:, (1.2)

Экспериментально установили, что уравнение (1.2) для различных термометрических веществ (или свойств), как правило, не имеет линейную зависимость t=f(E). На основе этого уравнения построены следующие температурные шкалы.

Шкала Фаренгейта (1723 г.) определена по двум реперным точкам: за 0°F принята температура смеси льда с солью и нашатырем, а за 96°F - температура тела человека. Точка плавления льда на такой шкале имеет температуру 32°F, а точка кипения воды 212° Р. Отсюда следует, что 1/180 часть интервала между точками плавления льда и точкой кипения воды составляет размер единицы температуры - градуса Фаренгейта (°F). В качестве термометрического вещества Фаренгейт использовал вначале спирт, а затем ртуть.

Шкала Ренкина - температурная шкала с началом при абсолютном нуле, причем размер единицы температуры - градуса Ренкина (7"еп) равен размеру единицы температуры Фаренгейта ih): rRn=l°F.

Соотношение между температурами Гвп и t-p следующее: h = = Гк,, -459,67.

Шкала Реомюра (1736 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0°R) и точкой кипения воды (80°R). Интервал между этими точками составляет 80 равных температурных частей, а размер единицы температуры- градуса Реомюра равен 1/80 части указанного интервала.

Шкала Цельсия (1742 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0°С) и точкой кипения воды (100°С), интервал между которыми составля-С1 100 равных температурных частей, а размер единицы температуры- градуса Цельсия равен 1/100 части указанного интервала.

Связи между температурами Фаренгейта {tv), Реомюра (fe) и Цельсия [t) и их единицами выражаются следующим образом: / °С = 5/4/r °R = 5/9 (f °F - 32); 1 °C = 4/5 °R = 9/5 °F.

Используя различные теоретические свойства, можно постро-И1ь множество температурных шкал, которые совпадают в одинаковых опорных точках, но расходятся вне интервала между точками и в самом интервале. Такие температурные шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами или условными единицами температуры. Условные температуры и условные температурные шкалы называют также практическими в 01личие от термодинамической температуры (иначе действительной или истинной) и термодинамической температурной шкалы.

§ 1.2. Термодинамическая температурная шкала (ТТШ)

Определение размера единицы температуры с помощью части температурного интервала между выбранными опорными (репер-ными) точками приводит к тому, что для всех практических («эмпирических») температурных шкал размер единицы температуры